Modelling the effects of substituting pollinators in decline

Abstract

While pollination is essential for many plant species and ecosystem functions, pollinator populations worldwide are declining. This decline is largely due to abiotic changes in the environment: climate change and other anthropogenic impacts, such as pesticides and land use change. Against this background, I investigate the effects of introducing a non-native pollinator species ("substituting invader") in a pollination network with declining resident pollinators. In particular, I ask 1) whether interspecific competition is a necessary driver for local extinctions of resident pollinator species after environmental changes; and 2) how much the pollination benefits for the resident plants differ between a pollination network including a substituting invader and a network without. To answer this, a standard Lotka-Volterra competition model is extended with terms accounting for mutualism (pollination) and adaptation to the environment. I model a community of two resident plants, as well as two resident pollinators and a substituting invader. I find that interspecific competition is a necessary driver for local pollinator extinction following an abiotic change in the environment. The competitive effect of the substituting invader on resident pollinators is therefore negative, although a minor indirect benefit is observed for one resident pollinator species. However, the resident plants benefit from the introduction of a substituting invader, which leads to a small relative change in the plant population numbers.

Popular Abstract (Swedish)

I denna rapport innebär \textit{pollinering}, eller \textit{pollination}, att ett djur transporterar pollen från en växt till en annan växt. Djuren som utför pollineringen (ofta insekter) kallas \textit{pollinerare}, eller \textit{pollinatörer}, och växterna sägs bli \textit{pollinerade}. Det uppskattas att omkring 90\% av alla kända växtarter, och 35\% av all odling av grödor, behöver pollinering för att växterna ska kunna sprida sina fröer och föröka sig. Pollineraren får ofta näring i form av nektar från växterna, och gynnas därmed också av pollineringen. Eftersom pollinering fyller en viktig funktion, är många forskare oroade över att pollinerare världen över minskar i antal. Det antas bero till stor del på klimatförändringar och annan mänsklig påverkan, såsom bekämpningsmedel och förändrad markanvändning.

I detta kandidatarbete modelleras effekterna av att introducera ej inhemska pollinerare i ekosystem där de inhemska pollinerarna minskar i antal på grund av förändringar i sin livsmiljö. Det är tänkbart att en ej inhemsk pollinerare med lämpliga egenskaper ("ersättande pollinerare") skulle kunna tillgodose en fortsatt fungerande pollinering av växterna i ekosystemet, när de inhemska pollinerarna har blivit färre. Jag skapar därför en matematisk modell för tillväxten av populationerna för växter och pollinerare. Växter och pollinerare interagerar genom pollinering, och mellan växter respektive pollinerare sker en konkurrens om resurser. Exempel på sådana resurser är lämpliga växtplatser eller pollinatörernas föda och boplatser. Modellen tillämpas på fem arter: två inhemska växter samt två inhemska pollinerare och en ersättande pollinerare. Jag jämför fallet när miljön ändras, men ingen ersättande pollinerare införs, med fallet då miljön ändras \textbf{och} en ersättande pollinerare införs. Genom denna jämförelse utreder jag 1) om konkurrens mellan pollinerande arter är nödvändig för att de ska utrotas lokalt i samband med att deras livsmiljö förändrats. Jag undersöker även 2) om de inhemska växterna gynnas olika mycket med aller utan ersättande pollinerare.

Modellen visar att 1) konkurrens mellan pollinerande arter är nödvändig för att pollinerande arter ska utrotas vid miljöförändring. Dessutom visar modellen att 2) en ersättande pollinerare gynnar de inhemska växterna när de två inhemska pollinerarna minskat i antal. En ersättande pollinerare kan alltså påverka inhemska växter positivt, medan inhemska pollinerare påverkas negativt eller till och med utrotas lokalt. För att undersöka om det är gynnsamt att införa en ersättande pollinerare är det därmed viktigt att väga de positiva effekterna för växter mot de negativa effekterna för pollinerare. Ett viktigt steg för en sådan jämförelse är att studera och modellera fler olika nätverk av pollinerare och växter för att besvara hur de positiva och negativa effekterna beror på arternas egenskaper i det nätverk som undersöks. Det bör has i åtanke att det finns stora risker med att en ej inhemsk art införs av människor, med tanke på att vi inte kan förutse exakt hur det kommer påverka ekosystemet. Därför är det viktigt att en ersättande pollinerare enbart införs om det är väl beforskat och om det förväntas vara mer gynnsamt än andra alternativ. I första hand bör det undersökas ifall en liknande positiv effekt kan uppnås utan mänskligt ingrepp eller med ingrepp utan att en ej inhemsk art införs.

• author: Eriksson, Axel
• supervisor: Pelle Pettersson; Mikael Pontarp
• organization: Mathematics (Faculty of Engineering)
• course: FMAL01 20231
• year: 2023
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Mathematics and Statistics
• keywords: pollinators, plants, mutualism, competition, equilibrium populations
• publication/series: Bachelor's Theses in Mathematical Sciences
• report number: LUTFMA-4010-2023
• ISSN: 1654-6229
• other publication id: 2023:K11
• language: English
• id: 9119383
• date added to LUP: 2023-06-14 14:03:16
• date last changed: 2023-06-14 14:03:16